大新錳礦西北采區采礦方法創新設計及三維可視化

姚存德,陳慶發,劉俊廣,蔣騰龍,李世軒,吳仲雄

(廣西大學 資源環境與材料學院, 廣西 南寧 530004)

0 引 言

數字化礦山是數字地球在礦山歷史發展中進一步應用的結果,指在礦山范圍內建立一個三維空間體系,結合礦山地質地理信息構建出三維模型,清晰呈現出礦山各點的詳細信息[1].數字化三維建模技術主要以精密、可靠的空間三維集成模型為特點,其在礦山設計、生產調度、虛擬仿真等方面為礦山生產提供了強有力的支撐平臺[2G3],以大新錳礦西北地采＋340 m和＋380 m中段礦體為例,在協同理念指導下[4],進行采礦方法創新設計及3DMine三維仿真模擬.

隨著科學技術不斷發展,結合現有的科學技術,部分學者在這方面做了大量研究,周鄧等[5]針對某礦區實測地質資料,利用3DMine構建該礦區三維數字模型,實現了井下開拓工程、礦體、地表建筑的三維可視化,并詳細分析了各類三維模型的構建方法;荊永濱[6]等基于Hoops3D框架,運用與平臺無關的SQLite嵌入式設計的孔口、樣品分析和地質巖性等結構鉆孔數據庫,建立了某銅礦32＃~56?？碧骄€鉆孔三維模型,根據鉆孔軌跡和銅元素品位的可視化,圈定了銅礦體邊界.數字化礦山的實施,可以充分利用資源、減少資源損失,對生態環境的平衡發展也具有重要意義.

采礦方法以Auto CAD二維模型呈現,內容復雜難以理解.而利用3DMine實現采礦方法三維空間的可視化,可以使礦塊的結構、參數、空間位置關系等布局更加合理,直觀易懂,方便可行.進一步將協同開采理念引入采礦方法可視化構建中,可使資源開采與災害處理更加協調與同步,使礦山開采系統具有較高的協同效應[4].

1 開采技術條件

西北采區主要對礦西北殘礦進行回收,該區地質情況復雜.小斷層較多但影響不大.該區褶皺反復頻繁,基本上每5 m就會出現礦體產狀的大變化,加之礦體較薄容易造成其它礦物的侵入,使礦體品位變化過大.

＋380 m中段礦巖情況如下:Ⅰ礦平均厚度約1.2 m,在靠近32a線附近反轉,南巷剩余有8個礦塊共約礦石89706.35 t,產狀為346°/67°~37°,灰白色夾褐色方解石侵入,品位約16.02%;北巷有10個礦塊約礦石154241.97 t,產狀150°/20°,灰白包為主,局部墨綠色,墨綠色礦體品位為21.54%,灰白色品位為14.74%,夾一厚約8 m灰白色泥灰巖夾條帶薄層方解石脈,品位1.87%.Ⅱ－Ⅲ礦平均厚度約2.0 m在31線附近反轉,南巷8個礦塊共約礦石141944.55 t,產狀340°/67°~37°;北巷有10個,礦塊共約礦石233299.43 t,產狀150°/20°夾二不可區分,Ⅱ礦灰白夾褐色豆狀厚約1.5 m;Ⅲ礦厚約0.5 m,灰黑色至密狀,Ⅱ－Ⅲ礦品位16.25%.其頂板為五指山組第三段(D3W3),為硅質灰巖夾硅質巖,局部夾錳灰巖,上部夾0~0.2 m厚的碳酸錳層.

＋340 m中段礦巖情況如下:Ⅰ礦厚約1.2~1.8 m,夾一厚約15~20 m,為淺灰色微粒中厚層狀硅質灰巖;揭露的Ⅱ礦厚1.2~1.7 m,全錳礦石品位約23.09%,以棕紅、墨綠、灰白色為主,頂部鐵黑,隱晶質結構,鮞狀、豆狀構造,層理不發育;Ⅲ礦厚0.5~0.8 m,全錳礦石品位約13.24%,以灰黑色為主,隱晶質結構,礦石較致密,完整性好,層理不發育.該片區夾二較薄,局部尖滅.礦層頂板主要為灰黑色硅質巖,薄層狀,層理發育,含少量黃鐵礦.

2 創新設計采礦方法

電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法適用開采緩傾斜至傾斜礦體,在礦塊內礦房和礦柱交替布置,回采礦房時留規則礦柱以維護頂板巖石.不僅涵蓋了經典房柱法可開采薄、厚和極厚礦體的優點,同時增大了礦體傾角適用范圍.電耙－爆力運搬聯合出礦協同偽傾斜房柱法要求礦石和圍巖均穩固.其缺點是采切工作量大,沿礦體走向方向跨度較大.

大新錳礦西北采區分Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ層礦體,根據其圍巖與礦體性質分別設計礦房參數,均采用電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法.Ⅱ礦與Ⅲ礦之間夾石較薄,無法剔除,因此,采用Ⅱ礦、Ⅲ礦與夾石合采.

2.1 采場布置

(1)結構和參數.Ⅰ礦設計參數為:階段高度為40 m,礦房跨度為7 m,間柱尺寸為3 m×3 m,間距5 m.頂柱厚度為3 m,底柱高6 m.放礦溜井直徑為1.5 m,切割平巷(拉底巷道)高2~2.5 m,寬度為礦體全厚.上山(電耙道)為2 m×2 m,電耙硐室為2 m×2 m,每個礦房布置1條上山、1個電耙硐室和1個放礦短溜井.每2個礦房布置1個行人天井(2 m×2 m),方便行人進入工作區.

(2)采準與切割.Ⅰ礦電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法布置如圖1所示.Ⅱ－Ⅲ礦電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法布置如圖2所示.

由圖1與圖2可以看出,電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法的采準工程包括:自底板運輸巷道4、掘進放礦溜井3和人行天井2;在底柱1上掘進切割平巷12,作為起始回采的自由面和相鄰礦房之間的聯絡道;沿切割平巷在圍巖中掘進電耙硐室13;沿礦房緩傾斜掘進上山11,用以行人、通風和運搬設備或材料,并作為回采時自由面.

2.2 回采工作

Ⅰ礦回采工作包括礦房和礦柱回采.因礦體厚度較薄,一次采全厚.礦房回采時,預留連續間柱,保證上一礦房回采工作的正常進行.礦房回采完畢后,將連續礦柱切割成點柱進行回收.礦房回采劃分為A區和B區:A區回采炮孔沿電耙道平行布置,崩落礦石由電耙運搬至放礦溜井經階段運輸巷道出礦;B區回采炮孔沿電耙道垂直布置,利用爆力運搬法將崩落礦石運搬至電耙道,再利用電耙進行出礦.

圖1 電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法(Ⅰ礦)

圖2 電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦法(Ⅱ－Ⅲ礦)

Ⅱ－Ⅲ礦回采工作包括礦房和礦柱回采.由于礦體直接頂板為為硅質巖,一般含鈣質、泥、碳質,穩固性較差,故保留Ⅲ礦體的0.5 m礦石做為護頂礦,不予回采.對不穩固的地方應安裝錨桿維護頂板.礦房回采時,預留連續間柱,保證上一礦房回采工作的正常進行.礦房回采完畢后,將連續礦柱切割成點柱進行回收.合采時采用分層回采,且礦房回采劃分為A區和B區:A區回采炮孔沿電耙道平行布置,分兩層回采,先采Ⅱ礦后采夾二與Ⅲ礦,崩落礦石由電耙運搬至放礦溜井經階段運輸巷道出礦;B區回采炮孔沿電耙道垂直布置,分兩層回采,先采Ⅱ礦后采夾二與Ⅲ礦,利用爆力運搬法將崩落礦石運搬至電耙道,再利用電耙進行出礦.

為提高礦山生產效率和電耙－爆力運搬協同作用,合理安排生產順序.上一礦房B區回采完畢,開始回采下一臨近礦房的B區,即上一礦房的A區回采與下一礦房的B區回采同時進行,且盡量保證同時完成回采,以便達到系統協同,回采有序和安全高效的目的.

出礦設備采用ZDPJ－30型電耙絞車,電耙型號2JP－15,容積0.4 m3.采用氣腿式鑿巖機鉆鑿炮眼,落礦眼孔深1.8 m.孔間距1.0 m.頂眼采用光面爆破.爆破用乳化炸藥,起爆用非電導爆管起爆,炸藥單耗0.8 kg/t.鑿巖機臺班效率30 m,礦房內布置2臺鑿巖機,鑿巖時間為4 h,3班作業.

2.3 通風及空區處理

新鮮風流從下階段運輸巷道經行人天井進入切割平巷(拉底巷道),經上山(電耙道)進入采場工作面.污風經上山(電耙道)上部進入上階段運輸巷道后排除地表,采場內架設JK58－4.5局部通風.

礦房回采完畢后,封閉采空區,架設安全提示牌,禁止人員進入.

2.4 主要經濟技術指標

主要經濟技術指標如表1所示(Ⅰ礦、Ⅱ－Ⅲ礦房各1個合并數據).

表1 創新設計采礦方法主要經濟技術指標

3 三維模型顯示

建立礦山三維模型,具有可觀性與真實性,其在整體上對工程建設及合理布局具有重大指導意義.

為清晰表達礦體與其它采礦結構的位置關系,增加對礦體整體形態及開采過程的認識,本章對大新錳礦西北采區＋340 m中段和＋380 m中段礦體及其它采礦結構進行3DMine建模.同時為準確表達采礦方法結構及其構成要素,建立3DMine采礦方法標準礦塊模型,增加工人對采礦技術的熟練度,進而提高施工效率及保證人員安全.

由于地質資料的有限性和局部誤差,構建3DMine三維模型無法與實際礦體完美契合,存在一定程度的誤差.為更精確認識礦體,應將理論建模與礦山實際相結合,共同輔助礦體安全高效回采.

3.1 礦體分區三維模型顯示

根據礦體形態及地質條件,將三維礦體模型劃分為3個區域,Ⅰ礦、Ⅱ－Ⅲ礦體分區三維模型如圖3所示.

圖3 Ⅰ－Ⅲ礦分區三維模型

3.2 采礦方法三維模型顯示

以往采礦方法以Auto CAD二維平面模型為主,包括主視圖、俯視圖、側視圖和剖面圖,內容復雜,理解認知困難.三維模型真實地還原了采礦方法,準確反映了采礦方法的結構、參數、位置對應關系等,方便學習與掌握采礦技術.

電耙－爆力運搬協同出礦偽傾斜房柱法三維模型如圖4所示.

圖4 偽傾斜房柱法三維模型

4 結 論

(1)采用電耙－爆力協同運搬偽傾斜房柱采礦方法,提高了礦山出礦效率,降低了勞動強度.

(2)構建復雜礦體可視化模型,可以真實地反映該地區礦體的分布形態,也為在該地區下一步探礦提供有參考價值的建議,以及為采礦設計人員制定合理、安全的采礦設計和施工規劃等.

(3)通過3DMine建立采礦方法標準三維可視化礦塊模型,可準確表達采礦方法結構及其構成要素,從而提高工人采礦技術的熟練度和施工效率.

[1] 楊靖英,等.基于網格化信息的數字礦山建設[J].礦業工程,2005,7(5):60G62.

[2] 李 江,劉修國.礦山三維模型無縫集成方法與研究[J].資源環境與工程,2014,28(4):610G615.

[3] 賈建紅,周傳波,蔣 楠,等.基于地質數據庫的復雜礦體三維建模關鍵技術研究[J].礦業研究與開發,2016,36(08):96G100.

[4] 陳慶發,周科平,古德生.協同開采與采空區協同利用[J].中國礦業,2011,20(12):77G80.

[5] 周 鄧,姜勇彪.基于3DMine的鄒家山鈾礦床3＃礦帶三維模型構建[J].現代礦業,2016(5):106G110.

[6] 荊永濱,代碧波,孫光中.礦山鉆孔三維模型構建與可視化方法[J].金屬礦山,2015(6):98G102.